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第11章 仿生技术

仿生技术是通过研究生物系统的结构和性质,以此来为工程技术提供新的设计思潜水艇利用仿生学借鉴了鱼鳔充气排气的原理, 完美的实现了潜水艇的上浮和下沉想及工作原理的科学。仿生技术一词bionics是1960年由美国科学家斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式)和字尾“nic”(具有……的性质)构成的。

仿生技术的问世开辟了独特的技术发展道路,也就是人类向生物界索取蓝图的道路,它大大开阔了人们的眼界,显示了极强的生命力。仿生技术的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的,最接近于生物系统的技术系统,为人类造福。

生物自身具有的功能比迄今为止任何人工制造的机械都优越得多,而仿生技术,就是要在工程上实现并有效地应用生物的功能。在信息接受(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等方面,生物体的结构与功能在机械设计方面都给予了人们很大启发。

生物学的研究可以说明,生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制,生物所具有的许多卓有成效的本领是人造机器所不可比拟的。人们在技术上遇到的某些难题,生物界早在千百万年前就曾出现,而且在进化过程中就已解决了。在20世纪40年代以前,人们并没有自觉地对生物的功能进行模仿,而走了不少弯路。从20世纪50年代以来,人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一,开始自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。

苍蝇,是细菌的传播者,可是苍蝇的楫翅(又叫平衡棒)是“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上,从而实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”,由3000多只小眼组成,人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的,用它做镜头可以制成“蝇眼照相机”,一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路,大大提高了工效和质量。

模仿苍蝇楫翅设计的螺旋桨,被广泛应用于飞行器材自从人类发明了电灯,生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光,其余大部分都以热能的形式浪费掉了,而且电灯的热射线不利于人眼。为了制造只发光不发热的光源,人类又把目光投向了大自然。在自然界中,有许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而且这些动物发出的光都不产生热,所以又被称为“冷光”。在众多的发光动物中,萤火虫是其中的一类。萤火虫发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率,而且这种冷光一般都很柔和,很适合保护人类的眼睛,光的强度也比较高。因此,生物光是一种人类的理想光。

科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合成便发出荧光。萤火虫的发光,实质上是把化学能转变成光能的过程。人们根据对萤火虫的研究,创造了日光灯,使人类的照明光源发生了很大变化。近年来,科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素,后来又分离出了荧光酶,接着,又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素和水等物质混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源,不会产生磁场,还可以做清除磁性水雷的工作。

电子蛙眼装入雷达系统后,雷达抗干扰能力大大提高人们根据蛙眼的视觉原理,已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样,准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙服装入雷达系统后,雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹,防止以假乱真。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场,它能监视飞机的起飞与降落,若发现飞机将要发生碰撞,能及时发出警报。在交通要道,它能指挥车辆的行驶,防止车辆碰撞事故的发生。

仿生学家仿照水母的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪生物许多的行为都与天气的变化有着一定的关系。沿海渔民都知道,生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海,就预示着风暴即将来临。水母,是一种古老的腔肠动物,早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等动物一直有着预测风暴的本能,每当风暴来临前,它就会游向大海中避难。其中原因在于,由空气和波浪摩擦而产生的次声波,从来都是风暴来临的前奏曲。这种次声波人耳无法听到,而水母对此却很敏感——仿生技术家发现,水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄,柄上有个小球,球内有块小小的听石,当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时,听石就刺激球壁上的神经感受器,于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。

仿生技术家仿照水母耳朵的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪,相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。把这种仪器安装在舰船的前甲板上,当接受到风暴的次声波时,可旋转360°的喇叭会自行停止旋转,它所指的方向,就是风暴前进的方向;指示器上的读数即可告知风暴的强度。这种预测仪能提前15小时对风暴做出预报,对航海和渔业的安全都有重要意义。

“鲨鱼皮”泳衣自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有500余种。人们将这些能放电的鱼,统称为“电鱼”。各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压,称得上“电击冠军”,它甚至能击毙像马那样的大动物。

科学家们通过对电鱼的解剖研究,发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫做“电板”或“电盘”的半透明盘形细胞构成的。电鱼这种非凡的发电本领,引起了人们极大的兴趣。19世纪初,意大利物理学家伏特,以电鱼发电器官为模型,设计出世界上最早的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究,还给人们这样的启示:如果能成功地模仿电鱼的发电器官,那么,船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

专业泳衣制造商SPEEDO公司推出的第四代鲨鱼皮泳衣一经推出便极度风光:美国“飞鱼”菲尔普斯在2008年奥运会上获得8枚金牌,名将霍夫创造了女子400米混合泳的纪录……自投入市场以来,身着第四代鲨鱼皮的选手已接连刷新了40多项游泳世界纪录。这款泳衣之所以叫做“鲨鱼皮”,是因为它的核心在于模仿鲨鱼的皮肤。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力,使鲨鱼得以快速游动。“鲨鱼皮”泳衣的超伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面而制成的。这款泳衣还融合了仿生技术原理,在接缝处模仿人类的肌腱,为运动员向后划水提供动力。

科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤控制血管压的

原理,研制了宇航飞行服——“抗荷服”

长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部,是由于长颈鹿的血压很高。据测定,长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压却没有使长颈鹿出现脑溢血——这与长颈鹿身体的结构有关。首先,长颈鹿血管周围的肌肉非常发达,能压缩血管,控制血流量;同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧,利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示,在训练宇航员时,设置一种特殊器械,让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时,以防止宇航员血管周围肌肉退化;在宇宙飞船升空时,科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤控制血管压力的原理,研制了宇航飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安装有充气装置,随着飞船速度的增高,抗荷服可以充入一定量的气体,从而对血管产生一定的压力,使宇航员的血压保持正常。同时,宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的,这样可以减小宇航员腿部的血压,利于身体上部的血液向下肢输送。

根据蝙蝠超声定位器的原理,人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器,盲人带着它可以发现电线杆、台阶、路上的行人等。如今,有类似作用的“超声眼镜”也已制成。

悉尼歌剧院

龟壳的背甲呈拱形,跨度大,其中包括了许多力学原理。虽然它只有2厘米的厚度,但铁锤敲砸都很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点:用料少,跨度大,坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形,举世闻名的悉尼歌剧院就像一组停泊在港口的群帆。

随着仿生技术的发展,科学家已经能够利用模仿人体组织的仿生材料,来代替人体器官的功能,解决各种医学难题。

大脑的结构非常复杂,大脑部分替换不像替换四肢那样简单。美国南加州大学教授伯格发明了一种仿生材料制作的电脑芯片,这种电脑芯片能够取代海马(大脑内控制短时记忆和空间感的区域)。如老年痴呆或中风等病症,这种芯片的植入可以帮助病人的大脑维持一定的正常功能。

有时候,当人们需要把药物准确无误地传到身体的某个部位时,一颗药丸或是一次注射都不能达到理想的效果。美国宾州大学生物工程教授丹尼尔·哈姆找到了一种更好的方法:人造细胞。它由仿生材料制作而成,能模仿白细胞自由地在身体内流动。这些假细胞能够准确无误地把药物送到它应该到达的部位。可以说,在假细胞的帮助下,某些疾病的治疗更容易、更安全了,其中也包括对癌症的治疗。

对于肾功能失效的人来说,基本的生活需求,例如,血液排毒和保持体内液体平衡,都需要数小时与透析机的连接来维持。科学家马丁·罗伯特和大卫·李设计了一种轻便的人造肾,尽管它的尺寸很小,但它却是自动化的、可穿戴的人造肾。人造肾不仅很小很轻,足以放置在身体的肾部位置,同时还可以帮助人体恢复肾功能。它的实际功能要强于传统的透析,因为它可以全天24小时正常使用——这和真正的肾没有什么区别。

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